云南開遠井和思茅大寨井水位同震響應動態差異分析

毛巍穎

（云南省地震局，昆明 650224）

0 引言

地下水廣泛、普遍存在于地殼上部或表層，對上地殼各種動力作用響應靈敏，能夠客觀、靈敏、廣泛地反映地殼應力應變信息，不僅記錄了地震孕育發生的許多信息，使其成為震情跟蹤和地震短臨預報的重要手段之一，同時也記錄了由地震波激發的同震響應現象，因此地下水觀測數據中不僅包括地震孕育發生信息，而且還包含了大量同震響應數據[1-3]。加強對地下水觀測中同震響應現象研究和去除，對震情跟蹤和地震短臨預報十分重要。井水位觀測是地下水觀測重要方式，井水位同震響應十分普遍，迄今為止井水位同震響應研究一直被重視[1-7]。井水位同震響應十分復雜，不同地區不同觀測井水位同震響應特點不同[4]，就同一觀測而言，有的觀測井同震響應階變方向一致好，即總是階變上升或下降[5-6，9]；有的觀測井水位對不同地震的同震響應形態不同，有的上升、有的下降[7-8]。同震響應機理認識也是復雜的，認為含水層的巖體結構、巖性、導水系數、滲透性等對井水位同震響應幅度影響大，灰巖或花崗巖、導水系數大、滲透性能好的井水位同震響應幅度大[5]。近些年來，井孔區地質構造環境影響井水位同震響應，特別是井孔及周圍地區構造應力應變與水位同震響應關系研究不斷得到重視，認為井孔所在區構造應力—應變環境對井水位同震響應有影響[1-3，10-12]。目前，井水位同震響應研究主要采取一井多震研究和一震多井研究[1]。本文用一井多震和一震多井相結合方式，分析了云南開遠井和思茅大寨井水位對多次地震的同震響應及其動態差異、兩口井所在地區構造應力-應變環境，分析了兩口井水位同震響應動態差異的主要原因。對利用井水位同震響應特點揭示井孔地區構造應力—應變狀態，分析井孔地區構造應力—應變積累動態和地震預測具有一定意義。

1 開遠井和思茅大寨井概況

思茅大寨井和開遠井是云南地區重要的地下流體觀測井，兩井之間相隔250 km。

1.1 開遠井

開遠井地理位置為北緯23°45′、東經103°15′，地處滇東南開遠盆地北緣，井深224.0 m。開遠井孔于1984 年1 月完工，1985 年7 月開始觀測，觀測儀器為SW40-1 型水位議。井孔含水層為三疊系法郎組灰巖（圖1b），水體為裂隙承壓水，主要由地下徑流補給。該井對固體潮汐、氣壓效應及某些附加應力反應靈敏，固體潮潮差最大為91 mm，氣壓效率為1∶5.5。根據2014 開展的溫度梯度測試，開遠井水溫隨井孔深度增加，呈現出持續上升，不同深度差別不大。開遠井水化學類型為HCO3-Ca-Na，其中Ca2+、Mg2+與Na+、K+之間有少量的陽離子置換過程[13]。該井能記錄到省內5.0 級以上地震。

圖1 思茅大寨井和開遠井井孔地質剖面圖Fig.1 The borehle geological profile map of Simao Dazhai well and Kaiyuan well

根據圖2，開遠井位于小江斷裂以東、紅河斷裂以北，這兩條均為深大斷裂，井孔所在地區屬滇東南褶皺帶。滇東南褶皺帶在古生代為穩定的地臺發展時期，廣泛發育厚達萬米的碳酸鹽建造和部分陸屑巖建造；中生代時期轉化為地槽，沉積了巨厚的復理石建造。表明該地區地殼基底穩定，地震活動性較弱，歷史上只發生過5 級多地震。開遠井所在地區構造應力場方向為南東東[14]。

圖2 開遠井和思茅井地質構造環境Fig.2 The geological tectonic map of Kaiyuan well and Simao Well

1.2 思茅大寨井

思茅大寨井地處云南西南部普洱市思茅區城區東南，地理坐標為東經101°03′，北緯22°45′，井深112.27 m。該井水位觀測始于1984 年，觀測儀器為SW40-1 型水位儀。井孔7.5 m 以上為第四系殘坡積沙土層，7.5 m 以下主要為白堊系泥質粉砂巖（圖1a）。思茅大寨井水溫隨井孔深度增加緩慢上升，在80 m 處水溫開始快速上升，表明井孔在80 m 以下流體交換較為明顯。該井成井之初的水化學類型為HCO3-Ca 型，近些年隨著周邊環境變化，2017 年背景值普查時，水化學類型已演化為HCO3-Ca-Na 型水，氫氧同位素結果顯示含水層主要為大氣降水補給[13]。

根據圖2，思茅大寨井位于屬深大斷裂的紅河斷裂以南、瀾滄江斷裂以東，這兩條斷裂之間屬蘭坪—思茅褶皺帶。在地質時期，蘭坪—思茅褶皺帶一直處于構造活動十分強烈的冒地槽、地槽發展，發育局厚的復理石建造、磨拉石建造、火山巖建造。該期地震活動強烈，歷史上6 級多地震頻繁發生。思茅大寨井所在地區構造應力場方向為南東[14]。

2 思茅大寨井與開遠井水位同震響應

2.1 思茅大寨井水位同震響應

思茅大寨井是云南記錄同震響應最多的井，1988—2017年共出現27次的同震響應[9，19]（圖3）。

圖3 思茅大寨井部分水位同震響應圖Fig.3 Some coseismic response diagrams of water level in Simao Dazhai well

思茅大寨井水位具有很強的同震響應能力。對距離臺站5 km 范圍內的3、4 級地震具有較高響應率。引起思茅井水位出現同震響應的地震的震級所對應的震中距為：5.0～5.9級地震是120 km、6.0～6.9 級地震是300 km、7.0～7.0 級地震是600 km、8.0～8.9級地震3 000 km。

思茅大寨井水位同震響應主要有以下動態特點：

（1）階變是思茅大寨井水位同震響應方式，自1988年至2017年的30年中出現的27次同震響應均為階變上升（表1）。

表1 思茅大寨井和開遠井水位同震響應對比一覽表Table 1 Comparison of coseismic response of water level between Simao Dazhai well and Kaiyuan well

（2）27 次同震上升階變中有16 次階變幅度達0.10 m 以上，其中1988 年11 月6 日云南瀾滄耿馬7.6、7.2級地震的同震階變幅度為0.571 m。

2.2 開遠井水位同震響應

開遠井有比較明顯的同震響應，在思茅大寨井出現的23 次5 級以上地震同震響應中，開遠井對其中的17 次地震發生同震響應（圖4），對另外6次地震沒有同震響應現象出現。

圖4 開遠井水位同震響應圖Fig.4 Some coseismic response diagrams of water level in Kaiyuan Well

開遠井水位同震響應主要有以下特點：

（1）開遠井水位對云南及周邊300 km 范圍5 級以上地震可能出現同震響應現象。從震中距的角度，對井震距500 km 以內的5～7 級地震不出現同震響應的比例僅50%，1 000 km 以外的8 級以上地震出現同震響應比例高。

（2）開遠井水位同震響應均為階變，階變幅度與震級和井震距相關。開遠井水位出現的最大同震響應是井震距 為380 km 的1988 年11 月6 日瀾滄耿馬7.6、7.2 級地震的0.231 m，除此之外，2001年11 月14 日昆侖山口西8.1 級地震、2008 年5 月12日四川汶川8.0級地震、2015年4月25日尼泊爾8.1 級地震對開元井形成的同震響應幅度分別為0.116 m、0.171 m 和0.117 m。階變幅度在0.05～0.10 m 的同震響應7 次，其中6 級多地震2/6 次、7級多地震2/7次、8級多地震3/8次，

（3）從響應動態角度，開遠井水位同震響應以階變下降為主。除2007年老撾6.6級地震外，開遠井其余水位同震響應均為階變下降（表1）。

3 思茅大寨井與開遠井水位同震響應動態特征及其機理分析

圖3 和圖4 分別給出了思茅大寨井和開遠井記錄到的典型同震響應。表1列出了開遠井和思茅大寨井水位對23次地震的同震響應情況。

根據圖3、圖4 和表1，開遠井水位除對2007年5 月16 日老撾6.6 級地震同震響應為階變上升、水位的上升幅度0.091 m 外，開遠井水位的其他16次同震響應均為下降階變。思茅大寨井水位出現的同震響應全部為階變上升。反映出開遠井和思茅大寨井水位同震響應動態明顯不同。

開遠井和思茅大寨井水位同震響應都不隨震級、震中距、震源破裂機制不同而變化，均表現為同震階變，并且思茅大寨井水位一直為階變上升，開遠井除2007 年老撾地震外，一直為階變下降。說明開遠井和思茅大寨井水位同震響應動態一致性明顯。

開遠井水位同震階變幅度最大為0.231 m，思茅大寨井最大同震階變幅度是0.571 m。

井水位同震響應反映地殼形變和地面震動引起地下介質變形、孔隙梳頭、裂隙的清理等機制，響應方式主要由井孔區地質構造和水文地質條件決定[15]。

地下水的動態變化是含水層系統受到力的作用的結果，與靜態應力有關。水位同震響應變化的類型和其所處區域應力—應變場狀態的變化有關[8]。

地下水的各種應力響應分為斷層位錯產生的靜應力和來自地震波的動應力，其中地震波的動應力對水位同震響應的影響有限。水位階梯狀變化是多孔彈性的含水層介質對靜態應力場的響應，靜態應變引起水位同震階變。對于水位動態而言，含水層受壓時上升，拉張時下降[1-3，16]。

井水位同震響應能力和形態特征改變，可能揭示地下水動力學作用過程。井孔區區域應力增強，地震波激發含水層受力發生應變，引起含水層應力—應變狀態改變，導致含水層導水能力和孔隙水壓變化，從而產生水位階變上升[17]。

地震孕育過程影響井孔所在區域含水層應力狀態的變化，從而影響含水層的導水系數。應力增大，含水層孔隙率變小，巖石滲透性降低。含水層受張應力作用，孔隙率變大，滲透性變強，導水系數變大，井水位記震能力可能增加[18]。

常見的井水位同震響應是水位上降[20]，這一點和思茅大寨井相一致。但開遠井同震響應卻以階變下降為主，說明開遠井和思茅大寨井水位同震響應動態完全不同。

井水位同震響應機理是復雜的。Brodsky E E[20]、Elkhoury J E[21]、Quilty E G[22]等從井孔含水層應力、應變角度分析了水位同震響應機理。

Brodsky E E[20]認為，地震導致的井水位變化可以解釋為靜態應力改變，地震波作用于含水層導致孔隙壓力持續變化，產生水位階變。數百公里以外的地震可以產生10 cm 以上的持續性井水位變化，這種變化與井孔含水層的特征儲水量Ss有關，特征儲水量又與含水層和流體的壓縮率相關[20]：

式（1）中，ρ為水的密度，g為重力加速度，α為含水層的壓縮率，β為流體的壓縮率，ф為含水層巖石的孔隙度。

Elkhoury J E[21]認為，地震波作用改變含水層滲透率，滲透率變化與含水層的應變響應有關[21]：

式（2）中，Δk為地震時的巖石滲透率變化，R為滲透率對應變的響應，υ為地面峰值速度的垂直分量，с為地震波相速。

構造應力作用不僅可以改變巖石滲透率，而且還改變巖石孔隙率[28]。作用于井孔含水層地震應力包括靜態應力場和動態應力，其中靜態應力場可能是拉張、也可能是擠壓[18]。Quilty E G[22]認為，同震水位是上升還是下降取決于井孔地區是同震收縮還是同震膨脹，井水位的變化量應當與靜態應力場振動幅度一致[22]。

水位或孔隙壓力的同震變化與地震引起的體應變有關。含水層孔隙壓力的變化幅度ΔP與體應變變化幅度Δε 有關，并且與井水位變化幅度Δh有聯系[15]：

式（3）中，ΔP為含水層孔隙壓力變化幅度，B為不排水條件下的平均應力引起的孔隙壓力變化與應力變化間的比值，Ku為體積彈性模量，Δε為體應變變化幅度。

式（4）中Δh為井水位變化幅度，ρ為水的密度或濃度，ɡ為重力加速度。

綜上所述，井孔地區應力應變環境是影響井水位同震響應動態特征的重要因素[23-26]，可以解釋開遠井和思茅大寨井水位同震響應階變相反的現象。開遠井水位受地殼應力應變影響，井孔附近地區GPS觀測結果顯示開遠井處于拉張狀態[27]。從現代構造應力場角度，開遠井位于小江斷裂以東地區，小江斷裂以西構造應力場為南東向，以東為南東東，這種差異導致開遠井孔地區張應力形成。思茅大寨井地處紅河斷裂和瀾滄江斷裂之間的蘭坪—思茅褶皺帶，受瀾滄江斷裂以西地區北東向擠壓的構造應力場作用下，蘭坪—思茅褶皺帶處于擠壓狀態，也使思茅大寨井含水層處于擠壓應力環境[14]。根據洪敏等對10 年來GPS 觀測分析，思茅大寨井孔所在地區10 年來一直處于收縮狀態，開遠井地區10年來一直處于膨脹狀態。

由于開遠井處于張性應力環境，地震時地震波激發含水層張應力，使整個含水層產生同震膨脹、孔隙率變大、滲透性變強、導水系數變大，導致井水位階變下降。相反，思茅大寨井處于壓性應力環境，地震時地震波使擠壓狀態下的含水層孔隙擠壓，使含水層產生同震收縮、含水層孔隙率變小、巖石滲透性降低，導致井水位發生階變上升。

上述開遠井和思茅大寨井水位同震響應特征反映了兩個井孔區現代構造應力場特點，前者以持續性張應力作用為主，后者則一直處于持續性擠壓應力作用。

4 結論

（1）開遠井和思茅大寨井水位同震響應動態明顯不同，同震響應階變相反。開遠井水位對2007年5 月16 日老撾6.6 級地震同震響應為階變上升，水位的上升幅度0.091 m。除此之外，開遠井水位的其他16 次同震響應均為下降階變。與之相反，思茅大寨井水位出現的同震響應全部為階變上升。反映出開遠井和思茅大寨井水位同震響應動態明顯不同。

（2）開遠井和思茅大寨井水位同震響應動態一致性明顯，同震響應都不隨震級、震中距、震源破裂機制不同而變化，均表現為同震階變，并且思茅大寨井水位一直為階變上升，開遠井除2007年老撾地震外，一直為階變下降。

（3）思茅大寨井水位同震響應幅度大于開遠井，其中思茅大寨井同震階變有15 次達到0.10 m以上，而開遠井0.10 m以上的同震階變只有4次。

（4）開遠井和思茅大寨井分別位于不同地質構造單元，其中開遠井位于地殼基底穩定、構造活動較弱、地震活動水平較低的滇東南褶皺帶，井孔所在地區構造應力場方向為南東東。思茅大寨井位于地質時期構造運動十分強烈、歷史上6級多地震頻發的蘭坪—思茅褶皺帶，井孔所在地區構造應力場方向為南東。震源機制和GPS觀測結果顯示，思茅大寨井所在地區構造應力為擠壓，開遠井則處于拉張環境。井孔地區應力-應變環境差異是開遠井和思茅大寨井水位同震響應動態差異的主要原因，由于思茅大寨井處于擠壓環境，其同震響應表現為一致的階變上升；而開遠井處于拉張環境，其同震響應表現為一致的階變下降。由構造活動和地震活動水平反映出的構造應力強度差異可能是開遠井和思茅大寨井同震階變幅度差異的原因之一。